Conception de circuits imprimés flexibles et rigides : avantages et bonnes pratiques de conception

Grâce à l'utilisation d'un circuit imprimé rigide et flexible (FPC rigide), les substrats de circuits flexibles et rigides sont recouverts ensemble. Les circuits imprimés rigides et flexibles repoussent les limites des circuits imprimés conventionnels. PCB rigides et les propriétés uniques des circuits flexibles qui utilisent des conducteurs en cuivre renforcés électrodéposés ou déplacés à haute flexibilité, gravés sur un film protecteur flexible.

Les circuits flexibles intègrent des empilements produits à l'aide d'un polyimide flexible, par exemple Kapton ou Norton, et recouverts de cuivre par la chaleur, le ciment acrylique et le poids.

De même, avec les circuits imprimés classiques, il est possible de monter des segments de chaque côté de la carte rigide. Grâce à la combinaison de circuits rigides et flexibles, une configuration rigide-flexible n'utilise ni connecteurs ni câbles de connexion entre les segments. Les circuits flexibles assurent l'interface électrique du système.

L'absence de connecteurs et de câbles de connexion permet plusieurs choses :

• Améliore la capacité du circuit à transmettre des signaux sans incident
• Accepte une impédance contrôlée
• Élimine les problèmes d'association, par exemple les articulations froides
• Réduit le poids
• Libère de l'espace pour différentes pièces

Chaque circuit imprimé rigide-flexible est divisé en zones contenant différents matériaux et différents nombres de couches. Les zones rigides comportent parfois plus de couches que les zones flexibles, et les matériaux passent du FR-4 au polyimide, avec des zones de changement importantes.

Les structures complexes passent fréquemment d'un état rigide à un état flexible, puis de nouveau rigide à différentes occasions. Lors de ces transitions, le revêtement des matériaux rigides-flexibles nécessite de repousser les ouvertures de la zone de transition afin de garantir l'intégrité. De même, de nombreux plans rigides-flexibles intègrent des raidisseurs en acier trempé ou en aluminium qui renforcent le soutien des connecteurs et des segments.

Les charges FPC rigides coûtent beaucoup plus cher que des panneaux durs pratiquement identiques et sont généralement plusieurs fois plus chères qu'un circuit flexible avec raidisseur.

Néanmoins, l’augmentation des dépenses est légitimée en ce qui concerne des applications et des situations spécifiques, par exemple:

• Applications de haute qualité et sans faille. En cas de chocs violents ou répétés, ou de fortes vibrations, les connecteurs à câbles flexibles sont plus susceptibles de tomber à plat. Le FPC rigide offre une fiabilité exceptionnelle, même en cas de fortes vibrations et chocs.
• Applications de forte épaisseur. Dans un espace restreint, il est parfois difficile de gérer tous les câbles et connecteurs nécessaires à une configuration de circuit imprimé électronique. Les plaques FPC rigides peuvent se superposer à des profils très compacts, ce qui représente un investissement en espace conséquent dans ces cas-là.
• Cinq feuilles rigides ou plus. Si votre application comprend au moins cinq feuilles rigides reliées entre elles par des câbles flexibles, une solution rigide-flexible coordonnée est généralement la solution idéale et la plus économique.

Des règles de conception diverses s'appliquent à la conception PO rigide-flexible

Diverses difficultés viennent contrecarrer l'adaptabilité et la flexibilité permettant la fabrication de plans et d'objets tridimensionnels. Les plans PO rigides-flexibles classiques permettaient de fixer des segments, des connecteurs et le cadre de l'objet sur la pièce rigide, plus solide, de l'ensemble. Là encore, dans les plans classiques, le circuit flexible servait uniquement d'interconnexion, réduisant le poids et améliorant la protection contre les vibrations.

De nouvelles structures d'articles, combinées à des innovations améliorées en matière de circuits flexibles, ont introduit de nouvelles règles de planification pour les commandes flexibles-rigides. Votre équipe de conception a désormais la possibilité d'intégrer des pièces sur le circuit flexible. En consolidant cette opportunité grâce à une approche multicouche pour la configuration flexible-rigide, vous et votre équipe pouvez intégrer davantage de matériel à la structure. Cependant, cette opportunité présente quelques difficultés en termes de direction et de gestion des espaces.

Les circuits flexibles présentent systématiquement des lignes de torsion qui influencent la direction. En raison du potentiel de pression du matériau, il est interdit d'insérer des pièces ou des vias à proximité de ces lignes. De plus, même lorsque les segments sont correctement positionnés, les circuits flexibles courbés placent des poids mécaniques répétés sur les coussinets montés en surface et les ouvertures traversantes. Votre équipe peut atténuer ces problèmes en utilisant un placage traversant et en renforçant le support des coussinets par un revêtement supplémentaire pour les ancrer.

Lors de la planification de votre pilotage, privilégiez les exercices qui allègent vos circuits. Utilisez des polygones incubés pour conserver la flexibilité lors de la transmission d'un plan de masse ou d'alimentation sur votre circuit flexible. Privilégiez les tracés courbés plutôt que les angles à 90° ou 45°, et utilisez des exemples de déchirure pour modifier la largeur des tracés. Ces exercices de réduction mettent en valeur les zones de focalisation et de vibration. Une autre bonne pratique consiste à répartir le stress sur les tracés en surélevant les tracés supérieurs et inférieurs des circuits flexibles double face. L'équilibrage des tracés évite qu'ils ne se superposent et renforce le PO.

Vous devez également suivre le sens inverse de la ligne de torsion pour réduire la pression. Lors du remplacement d'un matériau rigide par un matériau flexible et inversement, le nombre de couches peut varier d'un matériau à l'autre. Vous pouvez utiliser le suivi pour renforcer le circuit flexible en équilibrant la direction des couches adjacentes.

Directives de conception FPC rigides

Dans l'ensemble, une configuration flexo-rigide ressemblera fortement à une structure en panneau dur, les couches flexibles s'étendant entièrement dans les zones rigides du panneau. De même, pour les formats en panneau dur, un pack de création flexo-rigide comprendra des calques Gerber, ainsi que des fichiers de perçage, des calques de patch, une classification, des fichiers de tracé de périmètre, une couche de couverture, etc.

En règle générale, il existe quelques différences clés entre les lots de fabrication des FPC rigides et des applications de panneaux durs :

• Un FPC rigide comporte généralement beaucoup plus de dimensions et doit caractériser précisément les exigences, car ces feuilles sont couramment utilisées dans les applications 3D. Il doit également caractériser précisément les zones de transition entre rigide et flexible, car celles-ci ne sont pas toujours clairement définies lors de l'analyse des couches Gerber seules.
• La composition des matériaux des feuilles flexo-rigides est fondamentale et doit être élaborée en collaboration avec votre fabricant. Ce dernier peut vous aider à choisir les matériaux les plus adaptés à vos besoins, notamment en termes d'indice de combustibilité UL, de rayons de torsion minimum requis, de considérations mécaniques, de contrôle de l'impédance des couches flexibles et rigides, de certification RoHS, de compatibilité avec les composants sans plomb, etc.
• Les feuilles flexibles rigides nécessitent généralement des couches supplémentaires dans les documents Gerber. Les couches 1 et X contiennent des voiles de soudure, mais vous aurez également besoin de calques graphiques définissant la couche de couverture et les segments de liaison (si nécessaire) du panneau, ainsi que la quantité de chacun dans les panneaux durs. La norme IPC 2223 recommande 0.100 po, mais votre fabricant peut être amené à accepter une quantité inférieure.

Quels sont les facteurs qui influencent la conception des circuits imprimés rigides-flexibles ?

Les facteurs électromécaniques influencent la conception

Lors de la conception de circuits imprimés flexo-rigides, tenez compte des facteurs électromécaniques qui influencent le circuit flexible et la carte rigide. Lors de la construction de votre structure, concentrez-vous sur le rapport entre la courbure et l'épaisseur. Avec les circuits flexibles, des courbes serrées ou une épaisseur accrue au niveau de la zone de torsion augmentent les risques de défaillance. Les fabricants recommandent de maintenir la courbure au moins plusieurs fois supérieure à l'épaisseur du matériau du circuit flexible et de construire une « poupée en papier » du même circuit pour identifier les zones de torsion.

Il est conseillé d'éviter d'allonger le circuit flexible avec sa torsion externe ou de le compresser avec sa torsion interne. L'allongement du bord de la courbe au-delà de 90° crée une extension à un point et une pression à un autre du circuit flexible.

Un autre facteur clé de la qualité des câbles flexo-rigides réside dans l'épaisseur et le type de conducteur présent dans la zone de torsion. Il est possible de réduire l'épaisseur et les contraintes mécaniques en réduisant la quantité de placage des conducteurs et en utilisant un placage coussiné. L'utilisation d'un placage épais en cuivre, or ou nickel réduit la flexibilité au niveau de la courbe et favorise les contraintes mécaniques et les fissures.

Considérations relatives à la disposition des matériaux

La composition des matériaux FPC rigides a un impact considérable sur le coût, la fabricabilité et les performances finales des circuits imprimés. Il est donc essentiel de consacrer du temps à choisir le matériau idéal. Par exemple, l'impédance contrôlée, l'opposition et les exigences de transport de courant sont des considérations cruciales qui influencent à la fois les charges de cuivre et le choix du matériau.

Un architecte PCB doit collaborer avec son fabricant de cartes pour examiner ces facteurs, afin que le plan suivant réponde à toutes les exigences d'intégrité des signaux. Une fois les calculs initiaux effectués par le concepteur, le fabricant peut les vérifier et fournir une représentation plus précise des caractéristiques d'impédance de la carte et des matériaux nécessaires pour atteindre ces caractéristiques.

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Les segments rigides des plaques flexo-rigides comportent généralement 20 couches ou moins. Il arrive qu'ils en comportent davantage, mais il est rare qu'ils dépassent 16 couches. Les panneaux durs n'ont pas tous besoin d'avoir le même nombre de couches. Par exemple, un segment rigide peut comporter 12 couches et un autre XNUMX. Tant que la disposition des matériaux est comparable et que les charges ont une épaisseur similaire, l'assemblage ne pose aucun problème. Il arrive parfois qu'une configuration utilise des panneaux durs d'épaisseurs différentes, mais ces configurations sont beaucoup plus complexes et nécessitent des choix différents.

Les zones flexibles des feuilles rigides-flexibles sont généralement constituées d'une (singulet), de deux (doublet), de trois (triplet) ou de quatre couches (développement quadruple). Il arrive qu'un fabricant ait besoin de plus de quatre couches sur les zones flexibles de la charge, mais elles sont souvent non liées. Les zones flexibles renforcées de plus de quatre couches peuvent être très résistantes à la torsion et à la flexion. Les charges de cuivre sur les couches flexibles des feuilles rigides-flexibles sont généralement de 1/2 once et 30 grammes.

Parfois, l'intérêt électrique nécessite des charges de deux onces. Dans ce cas, le concepteur doit collaborer étroitement avec son fabricant pour choisir le préimprégné sans flux approprié, afin de remplir correctement les circuits plus épais des panneaux durs. Le préimprégné sans flux, de par sa configuration, ne tend pas à s'écouler, et le matériel de deux onces peut présenter quelques difficultés. Un poids de cuivre de trois onces est parfois utilisé et peut poser des problèmes d'assemblage importants pour la même raison.

La conception de circuits imprimés rigides et flexibles nécessite un travail d'équipe

De nouveaux instruments de configuration de circuits imprimés permettent à votre équipe de planification de gérer différents empilements de couches, de visualiser les structures électromécaniques 3D, de vérifier les contrôles de configuration et de reproduire l'activité des circuits flexibles. En effet, même avec ces outils à proximité, la structure efficace d'un circuit imprimé rigide-flexible repose sur la collaboration entre votre équipe et les fabricants.

Le travail d’équipe doit commencer dès les phases les plus ponctuelles de l’entreprise et se poursuivre tout au long du processus de construction et repose sur une communication constante.

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